Reação SN2

A reação mais freqüentemente ocorre em um centro de carbono alifático sp3 com um grupo de saída estável e eletronegativo ligado a ele - 'X' - freqüentemente um átomo de haleto. A quebra da ligação C-X e a formação da nova ligação C-Nu ocorrem simultaneamente para formar um estado de transição no qual o carbono sob ataque nucleófilo é pentacoordenado, e aproximadamente sp2 hibridizado. O nucleófilo ataca o carbono a 180° para o grupo de saída, já que isto proporciona a melhor sobreposição entre o par isolado do nucleófilo e o o orbital anti-ligação C-X σ*. O grupo de saída é então empurrado para fora do lado oposto e o produto é formado.

Se o substrato sob ataque nucleófilo for quiral, isto pode levar, embora não necessariamente, a uma inversão da estereoquímica, chamada inversão de Walden.

Em um exemplo da reação _SN2, o ataque de OH- (o nucleófilo) sobre um bromoetano (o eletrofilo) resulta em etanol, com brometo ejetado como o grupo de saída:

Uma reação _SN2 ocorre se a rota traseira de ataque não for bloqueada por outros átomos da molécula (estericamente impedida por substitutos no substrato). Portanto, este mecanismo geralmente ocorre em um centro de carbono primário sem impedimentos. Se houver um apinhamento estéreo no substrato perto do grupo de saída, como em um centro de carbono terciário, a substituição utilizará um mecanismo _SN1 em vez de um _SN2 (um _SN1 também seria mais provável com moléculas bloqueadas porque um intermediário de carbonização suficientemente estável poderia ser formado).

Na química de coordenação, a substituição associativa procede por um mecanismo similar ao _SN2.

Quatro fatores afetam a taxa da reação:

• Substrato. O substrato desempenha o papel mais importante na determinação da taxa da reação. Isto porque o nucleófilo ataca pela parte de trás do substrato, quebrando assim a ligação do grupo que deixa o carbono e formando a ligação carbono-nucleofílica. Portanto, para maximizar a taxa da reação _SN2, o dorso do substrato deve estar o mais livre possível. Em geral, isto significa que os substratos metilo e primário reagem mais rapidamente, seguidos pelos substratos secundários. Os substratos terciários não participam das reações _SN2, por causa dos obstáculos estéreis.

• Nucleófilo. Assim como o substrato, o impedimento estéreo afeta a força do nucleófilo. O ânion metóxido, por exemplo, é tanto uma base forte quanto um nucleófilo porque é um nucleófilo de metila, e por isso é muito livre de obstáculos. O terc-butoxida, por outro lado, é uma base forte, mas um pobre nucleófilo, por causa de seus três grupos metilo que dificultam sua abordagem do carbono. A força nucleófila também é afetada pela carga e pela eletronegatividade: a nucleofilicidade aumenta com o aumento da carga negativa e a diminuição da eletronegatividade. Por exemplo, OH- é um melhor nucleófilo que a água, e I- é um melhor nucleófilo que Br- (em solventes proticos polares). Em um solvente polar prótico, a nucleofilicidade aumenta em uma coluna da tabela periódica, pois não há ligação de hidrogênio entre o solvente e o nucleófilo. Neste caso, a nucleofilicidade espelha a basicidade. I- seria, portanto, um nucleófilo mais fraco do que Br- porque é uma base mais fraca.

• Solvente. O solvente afeta a taxa de reação porque os solventes podem ou não cercar um nucleófilo, dificultando ou não sua aproximação ao átomo de carbono. Os solventes polares próticos, como o tetrahidrofurano, são melhores solventes para esta reação do que os solventes polares próticos porque os solventes polares próticos serão solvados pela ligação do solvente hidrogênio ao nucleófilo. Isto o impede de atacar o carbono com o grupo de saída.

• Deixando o grupo. O grupo de saída afeta a taxa de reação. Quanto mais estável for o grupo de saída, mais provável é que ele leve consigo os dois elétrons de seu grupo de saída de carbono quando o nucleófilo atacar o carbono. Portanto, quanto mais fraco for o grupo de saída como uma base conjugada, melhor será o grupo de saída. Da mesma forma, quanto mais forte for seu ácido correspondente, melhor será o grupo de saída. Exemplos de bons grupos de saída são os haleto (exceto o flúor) e tosilato. Mas HO- e H2N- não são bons grupos de saída.

A taxa de uma reação _SN2 é de segunda ordem, pois a etapa determinante da taxa depende da concentração de nucleófilos, [Nu-] assim como a concentração de substrato, [RX].

r = k[RX][Nu-]

Esta é uma diferença chave entre os mecanismos _SN1 e _SN2. Na reação _SN1, os ataques dos nucleófilos após a etapa de limitação da taxa terminam. Mas em uma reação _SN2, o nucleófilo força o grupo de saída na etapa limitadora. Em outras palavras, a taxa de reações _SN1 depende apenas da concentração do substrato enquanto a taxa de reação _{SN2 depende da} concentração do substrato e do nucleófilo. Nos casos em que ambos os mecanismos são possíveis (por exemplo, em um centro secundário de carbono), o mecanismo depende do solvente, temperatura, concentração do nucleófilo ou do grupo de saída.

As reações _SN2 são geralmente favorecidas nos halogenetos alquílicos primários ou secundários com um solvente aprox. Elas ocorrem a uma taxa insignificante nos halogenetos alquílicos terciários devido a um impedimento estéreo.

_SN2 e _SN1 são dois extremos de uma escala deslizante de reações. É possível encontrar muitas reações que exibem tanto _SN2 quanto _SN1 em seus mecanismos. Por exemplo, é possível obter um par de íons de contato formado a partir de um halogeneto alquílico no qual os íons não estão completamente separados. Quando estes sofrem substituição, a estereoquímica será invertida (como em _SN2) para muitas das moléculas reagentes, mas algumas podem mostrar retenção de configuração. As reações _SN2 são mais comuns do que as reações _SN1.

Uma reação lateral comum ocorrendo com reações _SN2 é a eliminação do E2: o ânion que chega pode atuar como base e não como nucleófilo, removendo um próton e levando à formação do alqueno. Este efeito pode ser demonstrado na reação em fase gasosa entre um sulfonato e um brometo de alquilo simples que ocorre dentro de um espectrômetro de massa:

Com o brometo de etilo, o produto de reação é predominantemente o produto de substituição. À medida que aumenta o obstáculo estéreo em torno do centro eletrofílico, como no caso do brometo de isobutila, a substituição é desfavorecida e a eliminação é a reação predominante. Outros fatores que favorecem a eliminação são a força da base. Com o substrato menos básico de benzoato, o brometo de isopropil reage com 55% de substituição. Em geral, as reações de fase gasosa e de fase de solução deste tipo seguem as mesmas tendências, ainda que no primeiro, os efeitos do solvente sejam eliminados.

Um desenvolvimento que chamou a atenção em 2008 diz respeito a um mecanismo de rotunda _SN2 observado em uma reação em fase gasosa entre íons cloreto e iodeto de metila com uma técnica especial chamada imagem de feixe molecular cruzado. Quando os íons cloreto têm velocidade suficiente, a energia dos íons iodeto resultantes após a colisão é muito menor do que o esperado, e é teorizado que a energia é perdida como resultado de uma rotunda completa do grupo metilo ao redor do átomo de iodo antes que o deslocamento real ocorra.

• Reação de substituição
• Reação _SN1